В молекулярной биологии и биохимии процессивность — это способность фермента катализировать « последовательные реакции , не высвобождая субстрат ». [1]
Например, процессивность — это среднее количество нуклеотидов , добавленных ферментом полимеразой , таким как ДНК-полимераза , на одно событие ассоциации с цепью матрицы. Поскольку связывание полимеразы с матрицей является лимитирующей стадией синтеза ДНК , общая скорость репликации ДНК во время S - фазы клеточного цикла зависит от процессивности ДНК-полимераз, выполняющих репликацию. Белки -зажимы ДНК являются неотъемлемыми компонентами механизма репликации ДНК и служат для повышения процессивности связанных с ними полимераз. Некоторые полимеразы добавляют более 50 000 нуклеотидов к растущей цепи ДНК перед тем, как отделиться от цепи матрицы, обеспечивая скорость репликации до 1000 нуклеотидов в секунду.
Полимеразы взаимодействуют с фосфатным остовом и малой бороздкой ДНК, поэтому их взаимодействия не зависят от конкретной нуклеотидной последовательности. [2] Связывание в значительной степени опосредовано электростатическими взаимодействиями между ДНК и доменами «большого пальца» и «ладони» молекулы ДНК-полимеразы, метафорически имеющей форму руки. Когда полимераза продвигается по последовательности ДНК после добавления нуклеотида, взаимодействия с малой бороздкой диссоциируют, но взаимодействия с фосфатным остовом остаются более стабильными, что позволяет быстро повторно связываться с малой бороздкой на следующем нуклеотиде.
Взаимодействию с ДНК также способствуют белки -зажимы ДНК , которые представляют собой мультимерные белки, полностью окружающие ДНК, с которыми они связываются на вилках репликации . Их центральная пора достаточно велика, чтобы вместить нити ДНК и некоторые окружающие молекулы воды, что позволяет зажиму скользить вдоль ДНК, не отделяясь от нее и не ослабляя белок -белковые взаимодействия , поддерживающие тороидальную форму. Когда ДНК-полимераза связана с зажимом ДНК, она значительно более процессивна; без зажима процессивность большинства полимераз составляет всего около 100 нуклеотидов. Взаимодействия между полимеразой и зажимом более устойчивы, чем между полимеразой и ДНК. Таким образом, когда полимераза диссоциирует от ДНК, она все еще связана с зажимом и может быстро повторно ассоциироваться с ДНК. Примером такого зажима ДНК является PCNA (ядерный антиген пролиферирующих клеток), обнаруженный у S. cervesiae .
Множественные ДНК-полимеразы играют специализированную роль в процессе репликации ДНК. У E. coli , которая реплицирует весь свой геном из одной репликационной вилки, полимераза ДНК Pol III является ферментом, главным образом ответственным за репликацию ДНК, и образует репликационный комплекс с чрезвычайно высокой процессивностью. Родственная ДНК Pol I обладает экзонуклеазной активностью и служит для разрушения праймеров РНК , используемых для инициации синтеза ДНК. Затем Pol I синтезирует короткие фрагменты ДНК вместо прежних фрагментов РНК. Таким образом, Pol I гораздо менее процессивен, чем Pol III, поскольку его основная функция при репликации ДНК заключается в создании множества коротких участков ДНК, а не нескольких очень длинных участков.
У эукариот , которые имеют гораздо большее разнообразие ДНК-полимераз, инициирующий фермент с низкой процессивностью называется Pol α , а ферменты расширения с высокой процессивностью — Pol δ и Pol ε . И прокариоты , и эукариоты должны «торговать» связанными полимеразами, чтобы осуществить переход от инициации к элонгации. Этот процесс называется полимеразным переключением. [3] [4]